高性能計(jì)算（HPC）曾一度是大型數(shù)據(jù)中心和超級(jí)計(jì)算機(jī)的專屬，但如今依賴HPC的應(yīng)用不勝枚舉，在與我們生活息息相關(guān)的各種應(yīng)用領(lǐng)域都必不可少，如科學(xué)、醫(yī)療、安全、短視頻…...

為實(shí)現(xiàn)更好的HPC芯片設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)者們應(yīng)該了解如何提升RAS，即可靠性 (Reliability)、可用性 (Availability)和可服務(wù)性 (Serviceability)。

RAS的含義并不難懂，但涉及到HPC的SoC時(shí)，它表示什么呢？數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商長(zhǎng)期以來(lái)一直與客戶保持服務(wù)水平協(xié)議，以確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行時(shí)間。RAS是對(duì)此類協(xié)議的補(bǔ)充，現(xiàn)已能通過(guò)新技術(shù)獲得支持，最終生成切實(shí)可行的見(jiàn)解。本文將進(jìn)一步介紹為什么芯片生命周期管理（SLM）、嵌入式監(jiān)控IP以及正確的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證工具能夠幫助HPC設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)高水平的RAS。

高性能計(jì)算三大關(guān)鍵組成

家用安全門鈴或樓宇監(jiān)控系統(tǒng)所拍攝的視頻片段、金融和商業(yè)運(yùn)作建模、科學(xué)和醫(yī)學(xué)研究、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí)……隨著設(shè)備和系統(tǒng)收集的數(shù)據(jù)激增，再結(jié)合人工智能（AI）以及大量可用的計(jì)算資源，開(kāi)發(fā)者們可以快速獲得切實(shí)可行的見(jiàn)解，這使得HPC比1940年代第一臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)的應(yīng)用更為廣泛。

如今，常規(guī)的HPC基礎(chǔ)設(shè)施包括計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)三大部分，且均有性能、延遲、功耗、可擴(kuò)展性、效率和安全性方面的要求。下面我們分別進(jìn)行說(shuō)明：

• 計(jì)算部分包括CPU和GPU、加速器、片上網(wǎng)絡(luò)（NoC）和計(jì)算服務(wù)器，用于處理高性能數(shù)據(jù)。該部分的關(guān)鍵在于復(fù)雜的多核甚至Multi-Die系統(tǒng)架構(gòu)、快速訪問(wèn)的大內(nèi)存、高帶寬I/O接口、電源/冷卻管理和安全性。片內(nèi)監(jiān)控和分析可支持RAS目標(biāo)。
• 網(wǎng)絡(luò)部分包括交換機(jī)和路由器、適配器、網(wǎng)橋、中繼器、網(wǎng)絡(luò)接口卡（如智能網(wǎng)卡）以及光電互連，可提供高性能連接，最好具有高吞吐量、低延遲、高能效、可配置性和可擴(kuò)展性、實(shí)時(shí)監(jiān)控和報(bào)告以及安全性。調(diào)試能力、前向糾錯(cuò)（FEC）和IP可以支持RAS要求。
• 存儲(chǔ)部分包括固態(tài)驅(qū)動(dòng)器（SSD）或硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器（HDD）、存儲(chǔ)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（SAN）和網(wǎng)絡(luò)附接存儲(chǔ)（NAS）。理想情況下，該部分應(yīng)可提供高帶寬存儲(chǔ)，減少數(shù)據(jù)傳輸能耗和延遲，具有靈活性、可擴(kuò)展性、可靠性和安全性。內(nèi)置自測(cè)（BIST）、糾錯(cuò)碼（ECC）和冗余等功能可以實(shí)現(xiàn)高水平的RAS。

HPC系統(tǒng)主要分為單一計(jì)算系統(tǒng)和混合計(jì)算系統(tǒng)兩類。單一計(jì)算系統(tǒng)只有CPU，而混合計(jì)算系統(tǒng)同時(shí)擁有GPU和CPU，GPU運(yùn)行任務(wù)，CPU監(jiān)督計(jì)算。

HPC集群可包含大量的服務(wù)器，而計(jì)算集群的總物理尺寸、能耗或熱量輸出可能會(huì)成為一大問(wèn)題。此外，集群對(duì)服務(wù)器之間的專用通信也有要求。

在集群中服務(wù)器數(shù)量相當(dāng)多時(shí)，微小的設(shè)計(jì)改進(jìn)也可以創(chuàng)造巨大的價(jià)值，因此，為HPC優(yōu)化的服務(wù)器設(shè)計(jì)正在嶄露頭角。有時(shí)，此類設(shè)計(jì)針對(duì)搜索引擎公司等大型公共網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商，也有益于HPC集群。但它們也可以提供只適合HPC用戶的功能。例如，如果系統(tǒng)被設(shè)計(jì)成以不同的方式提供集群互連，有望大幅減少布線。

通過(guò)片內(nèi)監(jiān)控和分析

提供可行見(jiàn)解

HPC能夠處理PB級(jí)甚至ZB級(jí)的數(shù)據(jù)，并且能夠?qū)崟r(shí)（或接近實(shí)時(shí)）運(yùn)行復(fù)雜的模型。而如果HPC系統(tǒng)出現(xiàn)故障，必然會(huì)導(dǎo)致資金損失和業(yè)務(wù)中斷。對(duì)于關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，后果會(huì)更加嚴(yán)重。在先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)上，有大型單片晶粒或Multi-die等復(fù)雜架構(gòu)，滿足RAS的要求則更具有挑戰(zhàn)性。

根據(jù)當(dāng)前應(yīng)用的重要性，系統(tǒng)可以建立備份，在發(fā)生故障時(shí)提供冗余備份。此外，還可以在系統(tǒng)和芯片層面以其它方式實(shí)現(xiàn)RAS目標(biāo)。SLM也發(fā)揮著巨大的作用，它可以提供智能、自動(dòng)化片內(nèi)監(jiān)控IP和方法，在系統(tǒng)生命周期的每個(gè)階段生成可行見(jiàn)解。

將監(jiān)視器和傳感器嵌入到芯片中是開(kāi)發(fā)者們幾十年來(lái)一直在做的事。然而，該技術(shù)已經(jīng)可以提供準(zhǔn)確度更高、顆粒度更細(xì)的數(shù)據(jù)。這提高了設(shè)備的實(shí)時(shí)環(huán)境、結(jié)構(gòu)和功能狀況的可見(jiàn)性，可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)控溫度熱點(diǎn)、工藝變化和電源電壓，準(zhǔn)確測(cè)量時(shí)序裕量等功能。

得益于嵌入式、基于云的分析以及統(tǒng)一的SLM解決方案，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)能夠在設(shè)計(jì)、研發(fā)和生產(chǎn)階段甚至現(xiàn)場(chǎng)操作時(shí)持續(xù)、實(shí)時(shí)掌握其設(shè)備的芯片健康狀況，從而更好地了解根本原因，并立即進(jìn)行調(diào)試和維修，降低成本和潛在的危害。SLM可以解決晶體管老化、延遲故障等問(wèn)題，能夠帶來(lái)諸多益處。

舉例而言，如果衛(wèi)星出現(xiàn)故障，常見(jiàn)的辦法是在實(shí)驗(yàn)室維修電路板，再將其安裝在衛(wèi)星上，這會(huì)花費(fèi)數(shù)周時(shí)間，其間衛(wèi)星需要停用，以進(jìn)行故障診斷和維修。借助SLM技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行故障檢修和修復(fù)，團(tuán)隊(duì)可以在更少的中斷次數(shù)和更短的中斷時(shí)間內(nèi)，保持系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

數(shù)據(jù)中心也可以體現(xiàn)SLM是如何加快實(shí)現(xiàn)RAS要求的。

• 在芯片層面，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)試的能力是團(tuán)隊(duì)成功打造超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的關(guān)鍵，SLM提供的遠(yuǎn)程遙測(cè)和監(jiān)控功能使之成為可能。

• 在系統(tǒng)層面，SLM精確的時(shí)鐘降頻對(duì)最大化數(shù)據(jù)吞吐量和CPU、GPU和AI引擎的利用率至關(guān)重要。

• 在數(shù)據(jù)中心層面，SLM工具可以有效監(jiān)控服務(wù)器性能、網(wǎng)絡(luò)擁塞和磁盤(pán)利用率，從而檢測(cè)和預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)中斷，增加正常運(yùn)行時(shí)間。

• 在超大規(guī)模層面，團(tuán)隊(duì)可以利用SLM最大限度地減少片上熱量和供電壓力，以延長(zhǎng)可靠性。

• 對(duì)于Die-to-Die高速接口，SLM可監(jiān)控信號(hào)完整性，結(jié)合接口完整性的冗余，有助于確保小芯片設(shè)計(jì)的穩(wěn)健性。

總結(jié)

端到端的解決方案并非是各自獨(dú)立的點(diǎn)工具的集合，而能夠提供設(shè)計(jì)校準(zhǔn)分析、片內(nèi)監(jiān)控、系統(tǒng)性能優(yōu)化等多項(xiàng)功能，無(wú)縫實(shí)現(xiàn)RAS目標(biāo)。新思科技可提供出色的端到端流程，我們的芯片生命周期管理系列還配有廣泛的低延遲、經(jīng)驗(yàn)證的IP組合以及面向HPC應(yīng)用的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證技術(shù)。

該解決方案配備物理感知芯片監(jiān)控器、云分析以及嵌入式分析和優(yōu)化技術(shù)，還包括SoC傳感器IP和制程監(jiān)控器，用于設(shè)計(jì)、研發(fā)、生產(chǎn)階段和現(xiàn)場(chǎng)的優(yōu)化。在制造階段和現(xiàn)場(chǎng)，監(jiān)控器可以收集有關(guān)芯片的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，輔以全面的測(cè)試和調(diào)試解決方案，可確保高水平的RAS。

隨著HPC應(yīng)用日益增多，SoC開(kāi)發(fā)必須確保系統(tǒng)的高可靠性、可用性和可服務(wù)性。實(shí)現(xiàn)最佳水平的RAS，支持流媒體視頻、氣候變化建模等多項(xiàng)應(yīng)用，萬(wàn)物數(shù)智化的世界才能保持高速運(yùn)行。

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